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電動汽車、智能手機(jī)和無數(shù)其他設(shè)備提供動力的鋰離子電池有兩個電極，即陰極和陽極，而這項新研究的重點(diǎn)是后者。目前，這些陽極是由石墨制成，這在許多方面都有很好的作用，但它無法適應(yīng)超快的充電速度而不發(fā)生故障。
為此，科學(xué)家們正在尋找新的和改進(jìn)的陽極，其中一個地方是具有納米級多孔結(jié)構(gòu)的材料。這種性質(zhì)的陽極有望跟運(yùn)輸鋰離子的液體電解質(zhì)擁有更大的接觸面積，并以此同時讓離子更容易擴(kuò)散到固體電極材料中，最終使得設(shè)備的充電速度快得多。
但是，多孔納米結(jié)構(gòu)中通道的無序性和隨機(jī)性會導(dǎo)致這些結(jié)構(gòu)在充電過程中崩潰，同時還會降低電池的密度和容量，并且會導(dǎo)致鋰在陽極表面堆積，進(jìn)而在每個循環(huán)中降低其性能。此外，這些材料的制造非常復(fù)雜，其涉及到苛刻的化學(xué)品并會產(chǎn)生大量的化學(xué)廢物。
特文特大學(xué)的科學(xué)家們認(rèn)為，他們已經(jīng)在一種叫做鈮酸鎳的材料中找到了合適的替代品。跟以往解決方案的不規(guī)則性質(zhì)不同，鈮酸鎳具有開放和規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)則擁有相同的、重復(fù)的離子傳輸通道。
研究人員將這種鈮酸鎳陽極集成到一個完整的電池單元中并測試了它的性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它提供的超快充電率比今天的鋰離子電池快9倍。他們還指出，鈮酸鎳比石墨更緊湊，具有更高的體積能量密度，這可能相當(dāng)于商業(yè)版本的電池更輕、更緊湊。
科學(xué)家們還報告稱，這種新陽極材料具有很高的容量，約為244 mAh g-1，并且由于鈮酸鎳在運(yùn)行過程中體積變化很小，其81%的容量在2萬個循環(huán)中得以保留。所有這些都是在不損害陽極材料的情況下發(fā)生的，而據(jù)稱鈮酸鎳的制造過程也比其他納米結(jié)構(gòu)材料要簡單得多，且不需要一個潔凈室來組裝。
根據(jù)研究人員的說法了解到，這些結(jié)果證明了鈮酸鎳陽極在實(shí)用電池設(shè)備中的儲能潛力。他們認(rèn)為，在電網(wǎng)應(yīng)用中，為需要快速充電的電動機(jī)械提供動力或在重型電動汽車運(yùn)輸中都有直接的潛力。不過他們也表示，要看到它們適用于標(biāo)準(zhǔn)電動汽車還需要進(jìn)一步研究和解決問題。
前兩年，劍橋大學(xué)的研究人員也確定了一組可用于制造更高功率電池的新材料。他們發(fā)現(xiàn)，鋰離子能夠以遠(yuǎn)超典型電極材料的速度，穿過鈮鎢氧化物材料形成的復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)，這意味著它能夠?qū)崿F(xiàn)更快的充電速度。簡而言之，這項發(fā)現(xiàn)或成為構(gòu)建下一代鋰離子電池的關(guān)鍵。它們有望在幾分鐘內(nèi)完成充電（而不是幾小時），且不會出現(xiàn)危險的過熱現(xiàn)象。
在劍橋大學(xué)的最新發(fā)現(xiàn)中，研究人員們采用了不同的方法：其選擇了具有剛性、擁有開放式柱狀結(jié)構(gòu)的較大顆粒。這一結(jié)構(gòu)使得鋰離子能夠無阻礙的大量移動，從而將其流通量提升了數(shù)個等級。
新電極材料也可以是更安全的替代品：大多數(shù)鋰離子電池中的負(fù)極，是由石墨制成的。在高速充電的時候，尤其會形成枝晶（dendrites），即鋰?yán)w維的微觀結(jié)構(gòu)。枝晶會導(dǎo)致電池短路甚至起火，但劍橋大學(xué)的新型電極材料并不會。
研究資深作者Clare Grey教授表示：在快充應(yīng)用中，安全性是一個更需要被關(guān)注的地方。這類有潛力的新材料絕對值得一看，因為我們需要一個比石墨更安全的替代品。此外，納米機(jī)構(gòu)需要多個步驟才能制造，導(dǎo)致其產(chǎn)量極低和可擴(kuò)展性等問題。
相比之下，鈮鎢氧化物制造起來更簡單，并且不需要額外的化學(xué)品或溶劑。當(dāng)然，在投入實(shí)際應(yīng)用前，我們還有許多工作要完成。
原標(biāo)題：充電速度提高9倍！新型“開放式”結(jié)構(gòu)鋰電池材料
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